专利名称：多重正交调幅电视信号编码器的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用多重正交调幅(QAM)信号的数字式高清晰度电视(HDTV)信号编码系统。更具体地说，本发明涉及1991年2月4日H.E.White的美国专利申请系列第650329号和1992年6月16日颁发给Ray-chaudhur等人的美国专利第5122875号中所描述的那种类型的按优先序排列的双载波QAM编码系统。
在所揭示的那种类型的QAM符号传输系统中，传输数据符号是用“I”和Q”两个正交分量来表示;这两个分量调制各自的正交相位载波。每个符号可包括若干比特，符号的数目规定了QAM系统的类型，即，16QAM、32QAM等等。应用查阅表(例如，ROM)把每个符号映射(分配)到四象限栅形构象中的指定位置上。规定数目的符号在各象限中占据指定的区域。在32QAM系统中，构象的每个象限在相对于I-Q直角坐标轴的指定坐标上包含八个符号。一些符号比特表示某一符号坐落于其中的星座象限，而一些比特则表示位于分配给该符号的象限内的特殊坐标。这种一般类型的QAM系统是众所周知的。
White和Raychaudhuri等人描述了某一系统的一些情况，其中代表高清晰度图像信息的电视信号是用在标准6MHz电视传输基带中多路传送的两个QAM载频传输。其中一个载波传送高优先信息，而另一个载波传送(比较低的)标准优先信息。高优先(HP)信息是建立可视图像所需要的信息，尽管比完整图像的信息少，而且用比标准优先(SP)信息(它是剩下的信息)更多的功率传送。高优先信息同标准优先信息比较起来显出更窄的带宽，因此不容易由于传输信道而出差错。HP载波坐落于电视传输信道的那部分频谱上，例如，NTSC信道，一般它是被标准NTSC电视信号的残余边带所占用。这部分信号通常是被标准接收机的奈奎斯特滤波器大大地削弱，因此具有这种传输格式的HDTV信号不会引起同信道干扰。
把这样的双QAM信号编码的直接方法是使用两个平行通道，分别编码和调制两个QAM信号。在两个编码QAM信号从数字转变成模拟格式之后，两个变频器把编码QAM信号同坐落在适当频谱位置上的载波合并成复合双QAM信号。按照本发明的原理，一种说明性系统把按优先序排列的多载波QAMHDTV信号编码，以便在没有牺牲编码QAM信号质量的情况下，例如通过减少总的电路尺寸，尤其是集成电路表面积，减少电路复杂性和生产成本。
按照本发明的原理，组成HDTV信号的高优先和标准优先正交调幅信号，在转换成模拟形式之前，并入数字范畴。因此，为了产生模拟多重QAM信号供RF传输之用，只需要一个数/模转换器和模拟网。
在公开的本发明的较好实施例中，高优先(HP)和标准优先(SP)信号，在QAM调制之前，由相应数字滤波器进行频谱整形。QAM调制的HP和SP分量，在传送给唯一的数/模转换器和相关的模拟网以供RF传输之前，被一数字处理器(包括数字加法器和内插器)所合并。
图1是按照本发明的原理的数字HDTVQAM编码系统的方框图;
图2显示图1系统的一部分细节;
图3描绘由图1的系统所产生的双QAM高清晰度电视信号的视频频谱;
图4显示图1系统的数字滤波器部分的另一个可供选择的装置。
在讨论图1所示系统之前，先研究图3的是有用的，它描绘由以后将讨论的公开的系统所产生的按优先序排列的双32-QAM基带视频信号的频谱。
图3举例说明高清晰度电视信号的视频频谱，它与标准NTSC电视信号信道的6MHz带宽一致。为简化与标准NTSC视频频谱的对比，沿着图3的频率标度的频率(-1.25MHz至4.5MHz)以NTSC系统的RF图像载波的0.0MHz频率为基准。
HDTV信号是分成高和低优先分量的数据压缩信号。在这例子中，需要在高可靠性情况下接收的音频、同步和低频视频信息分量分配到高优先信号。该同步信息，例如，可以具有训练信号(包括唯一的特生标记或代码便于信号恢复和在接收机中处理)的性质，作为例证还可包括场频扫描信息(例如，场标记的起点)。其它非关键分量，例如高频视频信息，分配到低优先次序。高优先信息较之低优先信息显出更窄的带宽，并如下文所讨论的，正交振幅调制(QAM)以信号REF为基准的0.96MHz的第一抑制载波。低优先信息正交振幅调制3.84MHz的第二抑制载波，它也以信号REF为基准。形成的复合信号是多重QAM信号的一种形式，即，在这种情况下是“双”QAM信号。合成的双QAM信号通过带外参考信号REF转换成6MHz标准电视频带。信号REF的频率是这样选择的以致当信号REF被复合QAM信号所调制时，结果的和分量和差分量中的一个落入与所需射频电视信道有关的频带之内，例如同播VHF信道3。信号REF被合成的双QAM信号所调制的产生双边带已调信号，如图3所示，其下边带被除去而保留其上边带。
窄带HPQAM分量的振幅比宽带SP分量的振幅大得多，例如，大一倍。HP分量的-6db带宽是0.96MHz，而SP分量的-6db带宽是3.84MHz;它是HP分量的带宽的四倍。窄带HP和宽带SP分量的非线性带缘跃迁区被具有平方根升余弦特性的有限冲激响应(FIR)滤波器修整成形，以产生一些平滑的跃迁区，它们避免尖锐跃迁区所产生的无用高频效应。带缘跃迁区(不按比例描绘)内的宽带SP分量的幅度-频率响应具有较陡的窄带HP分量的四分之一斜率。
HP和SPQAM信号各包括正交的“I”和“Q”分量。32-QAM系统处理五比特数据字，或符号。八个符号被安排在I和Q坐标轴所限定的QAM构象的四个象限的每一个象限中。每个符号位于在规定的构象坐标上。每个符号的两个比特指定该符号的构象的象限;三个比特标明在该象限中该符号的坐标。
要讨论的32-QAM系统呈现0.96MHz和3.84MHz的符号率分别用于HP和SP数据。该符号率与所使用的QAM处理类型无关(例如，16-QAM或32-QAM)。使用四倍于符号率的的采样，HP采样频率是3.84MHz而SP采样频率是15.36MHz。就32-QAM来说，在每符号5比特的条件下，HP和SP比特率分别是4.8Mbps和19.2Mbps。
所描述的按优先序排列的双QAM系统显出有效地免除与标准NTSC电视信号(即，在相同的信道中以双QAM的形式从不同的地点发射的NTSC信号)有关的同信道干扰。这是由于在与高能信息有关的NTSCRF图像载波和NTSC伴音载波左右的QAM频谱中衰减标记所造成的。相反地，从双QAM信号进入NTSC信号的同信道干扰大大减少，因为大振幅窄带QAM信号的有效地被标准NTSC电视接收机的奈奎斯特斜率滤波器所衰减。在图3中，标准NTSC接收机的奈奎斯斜率滤波器响应是用叠在QAM频谱的低频带从-0.75MHz到0.75MHz的部分上的虚图线表示。合成的振幅大于6db的窄带QAM分量及其相对于宽带QAM分量的四分之一带宽导致比宽带QAM分量大得多的功率密度。因此所示高优先窄带QAM信号较之低优先宽带QAM信号显出信噪比显著提高和较低的误码率。
大峰值振幅窄带分量包含足以产生显示图像的视频信息，其清晰度近似标准清晰度电视图像的清晰度。因此如果(例如)高清晰度传输暂时被飞机反射干扰所妨碍，不应使观众过分受扰。也就是说，如果包含高清晰度信息的低功率宽带分量暂时被干扰，高功率窄带分量可以不受影响，而暂时显示低清晰度但可接受的的图像。
SP和HPQAM信号的采样频率(分别为15.36MHz和3.84MHz)有益地呈显4∶1整数关系。这种关系简化了在接收机中恢复窄带和宽带QAM信息，因为同样导出的数据时钟可以很容易地用于同步两个QAM分量的数据恢复操作。用于接收系统所需数据时钟频率能轻易地从恢复的高功率窄带QAM信号导出。
在图1中，来自人信号源5的高优先(HP)数据和来自信号源11的标准优先(SP)数据，在被数字信号处理器40所合并之前，在相应的高优先和标准优先信号通道中被处理。由信号源5和11所提供的HP和SP数据可以像在Raychaudhuri等人的美国专利第5122875号中所揭示的那样形成。由于数据源和单元40之间的HP和SP信号处理通道在结构上和操作上相似，所以只有HP处理通道详细地加以描述。
图1描绘数字双32-QAM编码系统，最好把它制成集成电路。数字信号处理器40(在图2中更详细地加以显示)把HP和SPQAM信号并入数字范畴，因此，为了产生模拟双QAM信号供RF传输之用，只需要一个数/模转换器和一个模拟网。
来自信号源5的HP数据流是通过移位寄存器10从串行形成转换成5比特并行形式。来自移位寄存器10的输出被加到包括ROM(只读存储器)单元15和16的编码器单元14。为便于在接收机中译码，编码器14是按照常规QAM编码实际操作加以使用。具体地说，由单元14提供的编码提高了接收机对接收的QAM构象的相位旋转的不敏感性。
包括内部累加器和查阅表的单元15具有5比特并行输入和5比特并行输出。此ROM在没有处理的情况下不处理每个5比特符号的末尾三个比特(它规定符号坐标)，但检查规定象限的头两个符号比特。累加器累积当前符号的头两个比特和前一个符号的头两个比特。查阅表提供表示这些当前的头两个比特和前一个的头两个比特之差的2比特输出值。该代表差额的比特作为在接收机中正确识别QAM象限的参考。把这些比特传给单元15的输出端，在那里它们与相应的末尾三个比特合并以重组5比特符号。
ROM16充当映像程序供来自ROM15的连续不断的5比特并行数据流之用。ROM16使其输入数据流分制成顺序的5比特符号。利用查阅表，使每个5比特符号映入由I-Q直角坐标轴所限定的四象限栅形构象。在32-QAM系统中，在每个象限中八个5比特符号占据指定的区域。各符号的头两个比特表示象限，这符号是相对于I-Q直角坐标轴座落在其中，剩下的三个比特表示在该象限内配给该符号的具体位置(坐标)。下一个符号同样地加以处理。ROM16具有两个并行输出线，数据字交替出现于其上。交替处理的符号通常被指定为I和Q符号，并分别出现于ROM16的I和Q并行输出线上。关于单元14所执行的那种类型的编码的附加信息，可参阅CCITTV.29和V.30标准。
ROM16分别向数字滤波器21a和21b提供并行方式的HP的I和Q输出符号。这些滤波器是20抽头(20个系数)有限冲激响应(FIR)平方根升余弦数字低通频谱整形滤波器，以3.84MHz高优先采样频率加以同步。在标准优先通道中的对应整形滤波器25a和25b的标准优先分量以15.36MHz采样频率加以同步。按照常规QAM信号处理实际操作使用该整形滤波器以限定过量带宽响应的形状，即，I和Q分量的带缘的陡度。在这例子中，过量带宽大致是17%。
来自滤波器21a和21b经过滤波的HPI和HPQ输出信号用多路复用器32加以时分复用。如接着要加以说明的那样，滤波器21a和21b与Max32共同的产生正交调幅分量，也就是，32-QAMHP分量。来自单元32的32-QAMHP信号和来自标准优先通道的对应MUX34的32-QAMSP信号被数字信号处理器40所处理，以便用D/A转换器50把它们从数字形式转化成模拟形式之前，产生一个数据流(以下结合图2将加以讨论)。来自转换器50的输出信号，在调制来自调制器54中本机振荡器55的信号之前，被模拟滤波器52所低通滤波，以产生适于RF传输的输出信号。滤波器52把输出信号限制在标准电视信道带宽(在NTSC的情况下是6MHz)范围内，并除去高频分量，例如伴随前面的数字信号处理产生的谐波。按优先序排列的双32-QAM信号的基带频谱属于图3所示的形式。
Samueli等人在一篇题为“应用于数字无线电的高速全数字正交调制器和解调器的VLSI结构”的论文(1990年10月刊登于IEEE学报，通信选集，卷8第8期)中讨论了数字滤波器(例如在单元20中的滤波器21a和21b)和数字多路复用器(如Mux32)共同作用以产生数字正交调幅的过程。整形滤波器21a和21b及在HP通道中的输出Mux32基本上起正弦/余弦载波发生器和变频器的作用。整形滤波器和HP通道的输出Mux的采样频率，和SP通道的对应元件的采样频率，分别形成QAMHP和SP载频。采样频率是四倍于载频，而载频等于符号率。
通过选择等于符号率的载频(即，采样频率的四分之一)，为变频作用所需要的余弦和正弦波形值可通过在0、90、180和270度采样得到。上述采样产生1，0，-1，0的数值(对余弦函数来说)，和0，1，0，-1的数值(对正弦函数来说)。一个2∶1多路复用器(例如Mux32)和一个倒相器就能完成调制器变频作用。在变频过程中，变频器所需的执行-1乘法运算可通过赋给一半整形滤波器系数为负号来实现。
图2说明图1的数字信号处理器40的补充细节。处理器40的一个输入是窄带、能量较高的32-QAMHP分量，具有中心在0.96MHz的频谱和3.84MHz(4×0.96MHz)的采样频率。这信号加到1∶4内插器42，它向上采样到15.36MHz。内插器42的这种作用把窄带HP数据从3.84MHz采样频率转变成15.36MHz采样频率，结果是来自Mux32的HP数据和来自Mux34的SP数据具有相同的采样频率，并且可以在数字时域中用数字全加器44正确地加以合并。由于SP及HPQAM信号的带宽和载波频率之间的4∶1整数关系，使采样频率转换变得更为方便。加法器44被同步在15.36MHz并从Mux34直接接收32-QAMSP信号。HP和SP信号的相对功率电平(即，振幅)能轻易地和正确地保持在数字范畴内，例如通过编码器单元14的前列ROM级的适当程序设计，或通过为整形滤波器单元20的滤波器的系数值编程序。来自加法器44的双QAM数字输出信号加到数/模转换器(在图1中编号是50)以产生作为RF传输用的双QAM模拟信号。
正如属于LaurenChristopher的美国专利申请系列第921790号(题为“时分多路复用信号的多路复用处理的FIR滤波器装置”;申请日为1992年7月29日)和属于LaurenChristopher的美国专利申请第922104号(题为“复数QAM信号的时分多路复用处理用的装置”，申请日为1992年7月29日)中所揭示的那样，使用多路复用技术;可以把整形滤波器单元20的滤波器数目减少一半。这样的FIR滤波器(用于时分多路信号的多路复用处理)是用图4阐明。
在图4中，整形滤波器单元20包括多路复用I和Q滤波器61和65。每个滤波器之前是相应的输入时分多路复用器62和66，后面分别是输出时分多路分路器63和67。输入HP-I和HP-Q分量是由图1的ROM16提供，输入SP-I和SP-Q分量是由图1的ROM181提供。输出HP-I和HP-Q分量加到图1的输出Mux34。用于I采样处理的多路复用滤波器61的下列描述也适用于Q采样处理用的滤波器65。
对HP分量的每个I(或Q)样值来说，存在SP分量的四个I(或Q)样值。因此按四个SPI样值对一个HPI样值的比率，把时分多路复用HP和SPI样值输入Mux62，并把合成信号耦合到多路复用滤波器61。滤波器61按时分多路复用方式操作，以减少硬件需要量。滤波器61是输入加权FIR滤波器，它包括接收来自单元62的多路复用样值用的输入总线。这些样值加到多个加权电路的每一电路上，在那里它们被相应的系数所加权。来自相应加权电路的加权样值耦合到相应加法器，那些加法器是通过延迟级相互联系在一起的。该延迟级与采样频率同步，以便依次处理外加样值，并在最后的延迟级的滤波器输出线上提供过滤信号。由于该样值按SP，SP，SP，SP，HP，SP，SP，SP，SP，HP等等系列出现，所以当SP样值出现时，SP延迟级被启动或同步，而当HP样值出现时，HP延迟级被启动。因此HP样值的滤波与SP样值无关。每次一个类型(HP或SP)的样值加到输入线上，只有那些延迟级储存的同类样值在加法器电路之间相互联系在一起，形成只在该类样值上作用的滤波器。就是说，当SP(HP)样值加到输入线上时，能有效地从电路中除去与HP(SP)样值有关的延迟级，但保留了它们的信息。该滤波器显示两组系数，它们是可切换的，取决于输入样值的类型。于是通过使用供不同样值类型用的不同系数，该滤波器为不同的HP、SP样值提供了不同的转移函数。响应系数控制信号，当HP样值出现时，一组系数被加到加权电路上，当SP样值出现时，另组系数被加到加权电路上。滤波器61的输出是时分多路复用信号，其中单个HPI和SPI分量是独立地进行滤波。
权利要求
1.一种处理高清晰度电视信号的系统中的设备，其特征在于用于提供第一数字信号的装置(5，10)，该信号代表高优先信息并具有正交分量；用于提供第二数字信号的装置(11，12)，该信号代表标准优先信息并具有正交分量，第一数字信号处理装置(15，25)，它响应所述第一和第二信号，以提供包括所述高优先信息在内的正交调幅(QAM)的输出高优先信号，和包括所述标准优先信息在内的正交调幅标准优先信号；及第二数字信号处理装置(32，34，40)，用于合并所述高优先QAM信号和所述标准优先QAM信号(以数字形式)，以产合成的多重QAM输出信号。
2.按照权利要求1的设备，其特征在于，所述高优先和低优先QAM显出不同的载频和不同的带宽，分别占据电视信号视频频谱的不同部分。
3.按照权利要求2的设备，其特征在于，所述高优先QAM信号较之所述标准优先QAM信号显出更窄的频带，同时显出与所述标准优先QAM信号的所述载频具有整数关系的载频。
4.按照权利要求1的设备，另外具有下列特征把所述多重QAM输出信号从数字形式转化为模拟形式用的数/模转换装置;及从所述转换装置接收模拟输出信号用的模拟信号传输装置。
5.按照权利要求1的设备，其特征在于，所述第一数字信号处理装置包括用于使所述第一和第二数字信号具有某种频谱形状的数字滤波装置;及响应所述滤波装置的输出信号的多路复用装置，用于时分多路复用滤波后的高优先正交分量，以便在输出线上提供所述高优先QAM信号，并用于时分多路复用滤波后的标准优先正交分量，以便在输出线上提供所述标准优先QAM信号。
6.按照权利要求1的设备，其特征在于，所述第二数字信号处理装置包括用于转换所述高优先QAM信号的采样频率的内插装置;及响应所述内插装置的输出信号和对所述标准优先QAM信号的数字加法装置，用于产生所述复合多重QAM输出信号。
7.按照权利要求1的设备，其特征在于，所述多重QAM输出信号是多重32-QAM输出信号。
全文摘要
在高清晰度电视信号编码器中，高优先(5)和标准优先(11)数字数据各自(16，18)分成正交的I和Q分量，通过数字滤波(21，25)加以整形使具有某种频谱形状，并加以时分多路复用(32，34)以产生32-QAM类型的相应正交调幅信号。高优先QAM信号和标准优先QAM信号显出不同带宽和载频。高优先和标准优先QAM信号，在传给唯一的数/模转换器(50)和模拟RF传输的(52，55)转换开关之前，以数字形式加以合并。
文档编号H04N7/24GK1090114SQ93117669
公开日1994年7月27日 申请日期1993年9月9日 优先权日1992年9月10日
发明者王天骏, L·A·克里斯托弗 申请人:汤姆森消费电子有限公司